IT202100029609A1 - Unita’ cuscinetto con gabbia di ritenzione rinforzata - Google Patents

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Riccardo Restivo
Flora Rosso
Piero Santangelo
Gianpiero Scaltriti
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Description

Descrizione a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: UNITA? CUSCINETTO CON GABBIA DI RITENZIONE RINFORZATA
DESCRIZIONE
Settore Tecnico dell?Invenzione
La presente invenzione attiene ad una unit? cuscinetto provvista di gabbia di ritenzione. La gabbia ritenzione presenta caratteristiche innovative nella sua forma ed ? idonea per unit? cuscinetto, in specie cuscinetti a rotolamento. La presente invenzione ? particolarmente idonea, anche se non esclusivamente, per un?unit? cuscinetto ad alta velocit?. Tali applicazioni comprendono sia il caso in cui l?anello esterno dell?unit? cuscinetto ? rotante mentre l?anello interno dell?unit? cuscinetto ? fisso, sia il caso opposto in cui l?anello interno ruota e l?anello esterno ? fisso.
Tecnica Nota
Una gabbia di ritenzione convenzionale per corpi di rotolamento, in particolare sfere, di un?unit? cuscinetto, secondo una prima tipologia, ? formata da una nervatura di base circolare e una pluralit? di dita o tenoni distanziati circonferenzialmente che si estendono da entrambi i lati della nervatura. La nervatura di base e le dita presentano superfici concave sferiche, definenti tra loro una pluralit? di tasche o alveoli sferici per trattenere rispettive sfere.
Una seconda tipologia di gabbia di ritenzione, che rileva ai fini della presente invenzione, si differenzia dalla prima per il fatto che la pluralit? di tenoni si estende da un solo lato della nervatura di base.
La nervatura di base ? un elemento strutturale continuo che si estende circonferenzialmente lungo la gabbia e costituisce una base solida in modo da dare alla gabbia nel suo insieme la rigidit? necessaria per trattenere, per mezzo dei tenoni, le sfere lungo le piste di rotolamento dell?unit? cuscinetto.
Si parla, in questo caso, di gabbie ?a scatto? per il fatto che il contenimento e la ritenzione delle sfere ? dato dal comportamento elastico dei tenoni che posso aprirsi e richiudersi per l?introduzione e la ritenzione delle sfere medesime.
In particolare, questa seconda tipologia di gabbia di ritenzione ? particolarmente usata in un?unit? cuscinetto ad alta velocit?, ad esempio, unit? cuscinetto cosiddette DGBB (acronimo dall?inglese Deep Groove Ball Bearing) per applicazioni nei settori dell?automotive (ad esempio, motopropulsori) e industriale (ad esempio mandrini di macchine utensili). In particolare, l?avvento sempre pi? massiccio di autoveicoli a trazione elettrica sta richiedendo prestazioni sempre pi? performanti in termini di velocit? di rotazione dell?unit? cuscinetto.
L?inconveniente principale per una gabbia polimerica del tipo ?a scatto? ? la limitazione di velocit? che deriva dalla rigidit? del polimero utilizzato per produrre la gabbia. In particolare, alle alte velocit?, la struttura della gabbia subisce deformazioni in tutte le direzioni. In direzione radiale la gabbia si dilata con il rischio di entrare in contatto a livello del suo diametro radialmente esterno con l?anello radialmente esterno dell?unit? cuscinetto e a livello del suo diametro radialmente interno con l?anello radialmente interno dell?unit? medesima. In direzione tangenziale, invece, la tasca o alveolo si ?apre? aumentando di diametro e incrementando cos? il rischio di perdere la forza di ritenzione della sfera, che potr? quindi fuoriuscire dalla gabbia.
Inoltre, la gabbia in materiale polimerico ? sensibile alla temperatura con conseguente prestazioni inferiori per temperature superiori alla temperatura di transizione vetrosa. Per un polimero del tipo poliammide (ad esempio, il PA66), ci? significa temperature dell?ordine dei 70?C-80?C.
Per contrastare l?incremento delle deformazioni della gabbia con la velocit?, una prima soluzione ? aumentare lo spessore della nervatura. Questa contromisura aumenta la rigidezza della struttura portante della gabbia e quindi riduce l?entit? delle deformazioni con la velocit?. Una soluzione di questo tipo non ? sempre praticabile in quanto pu? richiedere un incremento delle dimensioni assiali dell?unit? cuscinetto, quindi un incremento dei costi e, talvolta, la non fattibilit? dell?idea, stante l?indisponibilit? di ulteriore spazio assiale nel layout di montaggio dell?unit? cuscinetto.
Un'altra soluzione ? ridurre la massa dei tenoni per ridurre la forza centrifuga che agisce sulla gabbia. Questa seconda soluzione ha, per?, l'inconveniente di ridurre la rigidezza della gabbia e questo si traduce anche in una ridotta forza di ritenzione delle sfere. Pertanto anche questa seconda soluzione non ? praticabile nelle applicazioni ad alta velocit?, quantomeno se utilizzata isolatamente da altre contromisure.
Esiste pertanto l?esigenza di progettare una gabbia di ritenzione per corpi di rotolamento (in particolare, sfere) di unit? cuscinetto che sia esente dagli inconvenienti suddetti.
Sintesi dell?Invenzione
Uno scopo della presente invenzione ? una gabbia di ritenzione che possa essere utilizzata in unit? cuscinetto per applicazioni ad alta velocit?.
Questo scopo ? conseguito definendo una gabbia ritenzione a struttura rinforzata, avente cio? un?armatura sulla quale ? costampato il materiale polimerico della nervatura di base e dei tenoni.
Un rinforzo della nervatura, ovvero della struttura portante della gabbia offre un aumento molto elevato della rigidezza e ci? consente alla gabbia di raggiungere valori molto elevati di velocit?.
Questa soluzione non richiede l?aumento di lunghezza assiale dell?unit? cuscinetto e, per questo motivo, pu? essere una soluzione adottabile anche per applicazioni esistenti.
Pertanto, secondo la presente invenzione ? descritta una gabbia di ritenzione rinforzata per corpi di rotolamento di un?unit? cuscinetto, avente le caratteristiche enunciate nella rivendicazione indipendente, annessa alla presente descrizione.
Ulteriori modi di realizzazione dell?invenzione, preferiti e/o particolarmente vantaggiosi, sono descritti secondo le caratteristiche enunciate nelle rivendicazioni dipendenti annesse.
Breve Descrizione dei Disegni
L?invenzione verr? ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano alcuni esempi di attuazione non limitativi, in cui:
- la figura 1 ? una sezione trasversale parziale di un?unit? cuscinetto provvista di una gabbia per contenimento e ritenzione di sfere,
- la figura 2 ? una vista assonometrica di una tipologia di gabbia di ritenzione per corpi di rotolamento, secondo la presente invenzione,
- la figura 3 ? una seconda vista assonometrica della gabbia di ritenzione di figura 2,
- la figura 4 ? una vista assonometrica di un dettaglio della gabbia di figura 2, in cui ? illustrata un?armatura di rinforzo della gabbia,
- la figura 5 ? una vista assonometrica di un tenone a massa ridotta della gabbia di figura 2,
-la figura 6 ? una sezione trasversale parziale, con parti asportate per chiarezza, dell?unit? cuscinetto di figura 1
- la figura 7 ? una vista frontale dell?armatura di rinforzo della gabbia di figura 2, e
- la figura 8 ? una vista in pianta dell?armatura di rinforzo della gabbia di figura 2.
Descrizione Dettagliata
A titolo puramente esemplificativo e non limitativo, la presente invenzione verr? ora descritta facendo riferimento ad un?unit? cuscinetto DGBB (Deep Groove Ball Bearing) per applicazioni ad alta velocit?.
Con riferimento alla figura 1, un?unit? cuscinetto secondo una forma preferita di attuazione dell?invenzione, ? indicata nel suo insieme con 30.
L?unit? cuscinetto 30 presenta un asse di rotazione centrale X, e comprende:
- un anello radialmente esterno 31, preferibilmente, ma non necessariamente, stazionario,
- un anello radialmente interno 33, preferibilmente, ma non necessariamente, girevole,
- una corona di corpi di rotolamento 32, in questo esempio sfere, interposta tra l'anello radialmente esterno 31 e l?anello radialmente interno 33; e
- una gabbia 40 per mantenere in posizione i corpi di rotolamento della corona di corpi di rotolamento 32.
In tutta la presente descrizione e nelle rivendicazioni, i termini e le espressioni indicanti posizioni ed orientamenti quali ?radiale? e ?assiale? si intendono riferiti all?asse di rotazione centrale X dell?unit? cuscinetto 30, se non diversamente specificato. Per semplicit?, si potr? utilizzare il termine ?sfera? in modo esemplificativo nella presente descrizione e negli allegati disegni al posto del termine pi? generico ?corpo di rotolamento? (e si utilizzeranno altres? gli stessi riferimenti numerici).
Con riferimento alle figure 2 e 3, una gabbia di ritenzione e contenimento dei corpi di rotolamento ? illustrata con il riferimento 40.
La gabbia 40 comprende una nervatura di base 41 e una pluralit? di tenoni 42 distanziati circonferenzialmente che si estendono da un lato della nervatura. I tenoni 42 potrebbero anche non essere equi spaziati lungo la circonferenza della nervatura di base 41. La nervatura di base 41 e i tenoni 42 sono realizzati in materiale polimerico e presentano superfici concave sferiche, definenti tra loro una pluralit? di cavit? o alveoli 43 sferici per trattenere rispettive sfere. Ogni alveolo 43 sar? quindi definito dalle superfici concave sferiche della nervatura di base 41 e di una coppia di tenoni 42.
Secondo l?invenzione e con riferimento anche alle figure 4-8, la gabbia 40 ? provvista di un'armatura 50 resa solidale alla nervatura 41. In particolare la nervatura 41 e, quindi l?intera gabbia 40 pu? essere sovrastampata intorno all?armatura 50.
L?armatura 50 si presenta come una rondella ondulata di forma scatolare in cui porzioni di corona circolare si alternano circonferenzialmente su due giaciture differenti e sono tra loro raccordate. Una prima pluralit? di porzioni 50a di corona circolare si appoggia su una prima giacitura Y e una seconda pluralit? di porzioni 50b di corona circolare si appoggia su una seconda giacitura W.
La forma scatolare rende l?armatura molto rigida e comunque pi? rigida di un?armatura avente la forma di una rondella piana e riduce il braccio del momento flettente della forza centrifuga che agisce sui tenoni 42.
Vantaggiosamente, per migliorare ulteriormente il comportamento della presente soluzione, i tenoni 42 della gabbia 40 potranno presentare almeno un bordo 42? sagomato e rastremato in modo che la massa complessiva del tenone 42 risulti alleggerita.
In particolare, il bordo 42? rastremato ha una lunghezza assiale G funzione (figura 6) della semi-ampiezza assiale ORL11 dell?anello radialmente esterno e dell?ampiezza assiale ORL42 di un bordo di scarico 31? dell?anello radialmente esterno 31, secondo la formula
0,5 < G < (ORL11- ORL42)
Il bordo 42? si estende radialmente sino ad una superficie 42? radialmente esterna il cui diametro DL ? funzione del diametro medio BCD50 dell?unit? cuscinetto 30 e del diametro Dw dei corpi di rotolamento 32 mediante la seguente formula:
DL = BCD50 0,05 x Dw
In questo modo la gabbia assume una forma sostanzialmente ad ?L? con l?anima della ?L? costituita dai tenoni 42 rastremati. Questo accorgimento rende la gabbia meno sensibile alle forze centrifughe. Si tenga presente che la diminuita resistenza complessiva della gabbia verr? pi? che compensata dall?aumento di resistenza dovuto alla presenza dell?armatura.
La riduzione del braccio del momento flettente della forza centrifuga che agisce sui tenoni 42, per effetto della presenza dell?armatura 50, agisce in sinergia con la forma sostanzialmente a ?L? dell?intera gabbia 40 che, rispetto ad altre gabbie secondo tecnica nota, a sua volta riduce la massa del tenone sottoposto al campo centrifugo. Questa particolare forma di irrigidimento dovuta alla struttura scatolare dell?armatura 50 ? particolarmente vantaggiosa perch? si mantiene all?interno della nervatura 41 della gabbia 40 e, quindi, non va ad invadere lo spazio tra la gabbia e i corpi di rotolamento. Il mantenimento di un gioco o di una certa flessibilit? tra gabbia e corpi di rotolamento ? infatti necessario per garantire il montaggio dell?insieme gabbia/corpi di rotolamento nell?unit? cuscinetto senza rischiare una rottura dei tenoni.
L?armatura 50 presenta un?altezza H complessiva che pu? variare da 0,3 mm a 1,2 mm a seconda delle dimensioni della gabbia. Spessori inferiori al limite minimo pregiudicherebbero la funzione di irrigidimento dell?armatura 50, mentre spessori superiori al limite massimo richiederebbero dimensioni assiali della gabbia, che potrebbero risultare non compatibili con le esigenze di layout imposte dalla specifica applicazione. In particolare, lo spessore T delle porzioni 50a, 50b di corona circolare potr? essere non inferiore a 0,2 mm mentre il dislivello Z tra prime porzioni 50a e seconde porzioni 50b di corona circolare potr? variare tra 0,1 mm e 0,25 x Dw essendo Dw diametro dei corpi di rotolamento 32.
Ai fini del corretto funzionamento della soluzione secondo la presente invenzione, rivestono importanza sia il corretto posizionamento dell?armatura 50 all?interno dello stampo nel quale viene sovrastampato il materiale polimerico della gabbia 40 sia l?aggraffaggio tra armatura e sovrastampaggio.
Preferibilmente l?armatura dovr? presentare una distanza E dalla superficie radialmente esterna 41?? della nervatura 41 funzione del diametro Dw dei corpi di rotolamento 32 e comunque non superiore a 0.45 x Dw mm.
Da quanto sopra, si evince che la distanza E pu? anche essere pari a 0. Secondo questa variante, pertanto, l?armatura 50 ? centrata sulla superficie radialmente esterna 41?? della nervatura 41.
Vantaggiosamente, l?armatura 50 presenta una pluralit? di fori passanti 51 distanziati circonferenzialmente. I centri dei fori passanti 51 giacciono su di una circonferenza il cui diametro Ph ? calcolato in funzione del diametro medio BCD50 dell?unit? cuscinetto e del diametro Dw dei corpi di rotolamento 32 mediante la seguente formula:
Ph= BCD50/2 0,1 x Dw
Il diametro dei fori passanti 51 potr? variare da un minimo di 0,1 mm ad un massimo calcolato in funzione del diametro Dw dei corpi di rotolamento 32 e pari a 0,2 x Dw mm. Il numero dei fori passanti 51 potr? preferibilmente essere pari al numero dei corpi di rotolamento 32, ovvero al numero dei tenoni 42 della gabbia 40 oppure essere un multiplo del numero di tali elementi. Questi fori passanti 51 hanno lo scopo di essere una guida per la posizione assiale e radiale dell?armatura 50 nello stampo per il successivo sovrastampaggio del materiale polimerico.
I fori passanti hanno inoltre funzione di presa meccanica per il polimero della gabbia che viene sovrastampata.
Per migliorare il posizionamento dell?armatura 50 all?interno dello stampo, un ulteriore guida pu? essere definita realizzando sulla superficie di base 41? della nervatura 41, superficie posta da banda opposta rispetto ai tenoni 42, uno smusso 41? radialmente interno.
Inoltre, per migliorare l?aggraffaggio del materiale polimerico e, di conseguenza, impedire rotazioni relative dell?armatura rispetto alla nervatura della gabbia, l?armatura 50 pu? presentare una pluralit? di asole 52 all?interno delle quali fluir? il materiale polimerico durante il successivo sovrastampaggio. Le asole 52 sono allocate in prossimit? del bordo radialmente esterno 50c dell?armatura 50.
Vantaggiosamente le asole 52 potranno essere posizionate da banda opposta rispetto ai fori passanti 51 e in simmetria circonferenziale rispetto ad essi. In altre parole ciascun foro passante 51 sar? circondato da una coppia di piccole asole 52 e quindi il numero delle asole 52 sar? il doppio del numero dei fori passanti 51.
L?armatura 50 pu? essere realizzata in materiale metallico e le seconde porzioni 50b si ottengono per imbutitura a partire da una rondella piana. Un limite di questa soluzione potrebbe aversi nella non connessione chimica dei due materiali (metallo dell?armatura e plastica) e ci? potrebbe portare nel tempo a problemi di disconnessione tra le due parti. Per mitigare questo problema, come gi? descritto, sono state introdotte le asole 52.
Inoltre, il riciclo di una gabbia siffatta ? pi? complesso, anche se sempre possibile, dovendosi separare la plastica dal metallo. Occorre, per?, fare attenzione nel selezionare solo gabbie di questa tipologia (con armatura di rinforzo) per evitare di mescolarle con altre gabbie prive di armatura di rinforzo.
Secondo una soluzione alternativa preferita, pertanto, l?armatura 50 potrebbe essere realizzata in materiale plastico rinforzato da fibre resistenti. Ad esempio, potrebbe essere costituita da poliammide PA66 (stesso materiale della gabbia) rinforzato con fibre di vetro al 50%. In questo caso la forma scatolare dell?armatura 50 (con le suddette prime e seconde porzioni 50a, 50b di corona circolare alternate su due giaciture differenti) si otterrebbe per stampaggio a iniezione.
La restante parte della gabbia potr? essere realizzata in poliammide (PA66) come polimero puro o leggermente caricato con fibre di rinforzo. In quest?ultimo caso avrebbe una densit? minore rispetto a quella del polimero puro.
Questa soluzione presenta alcuni vantaggi ulteriori:
- aggraffaggio chimico fra le due parti della gabbia che elimina qualsiasi possibilit? di innesco di movimenti relativi tra gabbia e armatura di rinforzo;
- minore forza centrifuga agente sui tenoni, nel caso la gabbia venisse realizzata in poliammide debolmente rinforzato, per effetto della minore densit? del materiale;
- maggiore facilit? nel riciclo utilizzando lo stesso polimero base per armatura e gabbia (cambierebbe solo la percentuale di rinforzo).
La soluzione secondo la presente invenzione dimostra notevoli vantaggi senza presentare inconvenienti di altro tipo.
Infatti, questa soluzione ? compatibile con i materiali polimerici normalmente utilizzati per le gabbie, ovvero, come gi? detto, poliammidi. In particolare, ? stata acclarata la compatibilit? con PA66 GF25 e PA46 GF30, cio? i materiali pi? comunemente utilizzati.
L?armatura non necessita di particolari tecnologie di produzione, potendo essere ottenuta con noti procedimenti di formatura e imbutitura dei metalli, o, in alternativa, mediante stampaggio a iniezione di materiale polimerico rinforzato da fibre.
Anche il sovrastampaggio della gabbia non presenta difficolt? tecnologiche, potendo essere effettuato con le attrezzature esistenti o con attrezzature lievemente modificate.
A fronte di una immutata fattibilit? tecnologica, questa soluzione presenta vantaggi strutturali che la rendono idonea alla risoluzione del problema tecnico esistente.
Infatti, la deformazione della gabbia per effetto delle forze centrifughe centrifugo si riduce dal 50% al 70% rispetto alla deformazione di una gabbia interamente in materiale polimerico e semplicemente rinforzata dall?aumento della sezione della nervatura di base.
Una deformazione minore deformazione significa anche minore pressione di contatto con i corpi di rotolamento e, di conseguenza un minor riscaldamento dei tenoni a contatto con le sfere.
Tutto ci? consente quindi di raggiungere velocit? pi? elevate. Ci? significa una maggiore capacit? di velocit?. Sovente, nell?ambito delle unit? cuscinetto, la capacit? di raggiungere velocit? elevate viene misurata da un indice di velocit? che ? data dal prodotto tra il numero di giri dell?anello girevole e il diametro medio (pitch diameter) dell?unit? cuscinetto. Questo indice di velocit? si misura in ?mndm? con m che sta per milioni, n ? il numero di giri e dm ? il diametro medio. Ebbene, rispetto a valori odierni che si attestano su 1 mndm, con la soluzione secondo l?invenzione si prevede di poter raggiungere i 2 mndm.
Oltre ai modi di attuazione dell?invenzione, come sopra descritti, ? da intendere che esistono numerose ulteriori varianti. Deve anche intendersi che detti modi di attuazione sono solo esemplificativi e non limitano l?oggetto dell?invenzione, n? le sue applicazioni, n? le sue configurazioni possibili. Al contrario, sebbene la descrizione sopra riportata rende possibile all?uomo di mestiere l?attuazione della presente invenzione almeno secondo una sua configurazione esemplificativa, si deve intendere che sono concepibili numerose variazioni dei componenti descritti, senza che per questo si fuoriesca dall?oggetto dell?invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate, interpretate letteralmente e/o secondo i loro equivalenti legali.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Gabbia (40) di ritenzione di corpi di rotolamento (32) di una unit? cuscinetto (30), la gabbia comprendendo:
- una nervatura (41) di base, e
- una pluralit? di tenoni (42) distanziati circonferenzialmente che si estendono da un lato della nervatura (41), in cui
la nervatura (41) e i tenoni (42) sono realizzati di materiale polimerico e presentano superfici concave sferiche, definenti tra loro una pluralit? di alveoli (43) sferici per trattenere i corpi di rotolamento (32),
la gabbia (40) essendo caratterizzata dal fatto di essere provvista di un'armatura (50) avente una forma scatolare in guisa di rondella ondulata in cui porzioni di corona circolare si alternano circonferenzialmente su due giaciture differenti con una prima pluralit? di porzioni (50a) di corona circolare appoggiate su una prima giacitura (Y) e una seconda pluralit? di porzioni (50b) di corona circolare appoggiate su una seconda giacitura (W).
2. Gabbia (40) secondo la rivendicazione 1, in cui la gabbia (40) ? sovrastampata intorno all?armatura (50).
3. Gabbia (40) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i tenoni (42) presentano un bordo (42?) sagomato e rastremato.
4. Gabbia (40) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?armatura (50) ? in materiale metallico imbutito.
5. Gabbia (40) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui l?armatura (50) ? in materiale plastico stampato a iniezione e rinforzato con fibre resistenti.
6. Gabbia (40) secondo la rivendicazione 5, in cui il materiale plastico ? una poliammide e le fibre resistenti sono fibre di vetro in percentuale del 50%.
7. Gabbia (40) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?armatura (50) presenta una pluralit? di fori passanti (51) distanziati circonferenzialmente.
8. Gabbia (40) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui l?armatura (50) presenta una pluralit? di asole (52).
9. Gabbia (40) secondo la rivendicazione 8, in cui le asole (52) sono posizionate da banda opposta rispetto ai fori passanti (51) e in simmetria circonferenziale rispetto ad essi.
10. Unit? cuscinetto (30) comprendente un anello radialmente esterno (31), un anello radialmente interno (33), una corona di corpi di rotolamento (32) interposta tra l?anello radialmente esterno (31) e l?anello radialmente interno (33) e una gabbia (40) di ritenzione dei corpi di rotolamento (32) secondo una delle rivendicazioni precedenti.
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